虚拟现实技术及其在远程教学中的应用

作者：华南师范大学 郭建才

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 随着科学技术的迅猛发展，新的教学媒体不断涌现，继多媒体之后，教学技术领域又出现了一个新型教学媒体，它就是虚拟现实技术(Virtual Reality)。虚拟现实技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。 目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、医学实习、建筑设计、军事训练、体育训练、娱乐游戏等许多领域。在国外，虚拟现实技术已应用于课堂教学。虚拟现实技术作为新的教学媒体，它的出现无疑将对远程教学产生深远的影响。本文主要探讨虚拟现实技术的基本特征以及它在远程教学中的应用。 一、虚拟现实技术的基本特征及类型 虚拟现实技术具有以下三个基本特征： 1．沉浸性。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像．使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。 2．交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。 3．多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。 虚拟现实系统按其功能不同，可分成三种类型。 1．沉浸型虚拟现实系统。沉浸型虚拟系统是一套比较复杂的系统。使用者必须头戴头盔、手带数据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互。由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，因此，用户可排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。 2．简易型虚拟现实系统。简易型虚拟现实系统由一台普通的计算机系统组成，使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互。例如苹果公司推出的快速虚拟系统(Quick Time VR)，是采用360度全景拍摄来生成逼真的虚拟情景，用户在普通的电脑上，利用鼠标和键盘，就能真实地感受到所虚拟的情景。这种系统的特点是结构简单、价格低廉，易于普及推广，是一套经济实用的系统。 3．共享型虚拟现实系统。共享型虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用户联结起来，共享一个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行外科手术。 二、虚拟现实技术在远程教学中的作用 1．弥补远程教学条件的不足。在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 2．避免真实实验或操作所带来的各种危险。以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验．则可以免除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成“病人”死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。 3．彻底打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。例如学生可以进入虚拟发电厂内，考察发电机的每个部件的工作情况以及每个部件之间的相互联系，了解整个发电过程，这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。 4．可以虚拟人物形象。虚拟现实系统可以虚拟历史人物、伟人、名人、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使远教学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂学习气氛中，远教学生可以与虚报的教师、学生一起交流、讨论，共同探讨学习中的各种问题，进行协作化学习。再如，在思想品德课教学中，学生可以与虚拟的先进人物如雷锋、孔繁森同志一起座谈、交流，通过先进人物的言行来感化学生，从而达到思想品德教育的目的。再如，在外语教学中，可以通过计算机虚拟学生到国外旅游的情境，让学生与人交谈，达到训练学生口语的目的。 三、虚拟现实技术在远程教学中的应用 虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。虚拟现实技术在远程教学中的应用主要有以下四个方面。 1．知识学习。知识学习是指远教学生利用虚拟现实系统学习各种知识。它的应用有两个方面：一是再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。例如，在学习地理知识时，通过虚拟现实系统，将学生带到北极去领略那里的自然风光。在学习物理知识时，利用虚拟现实技术，向学生展示如原子核裂变、半导体导电机理等复杂的物理现象，供学生观察学习。 虚拟现实在知识学习中的另一个应用是，使抽象的概念、理论直观化、形象化，方便学生对抽象概念的理解。例如，学习加速度概念时，通过虚拟演示，让学生观察当改变物体的重力大小及方向时，加速度的变化情况，使学生加深对加速度概念的理解。 2．探索学习。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。例如，在虚拟的化学系统中，学生可以按照自己的假设，将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来。通过这种探索式的学习方式，学生很有可能研究出新的物质。利用虚拟技术，学生还可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。 3．虚拟实验。利用虚拟现实技术，还可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室，在“实验室”里，学生可以自由地做各种实验。在虚拟物理实验室里，学生可以做重力、惯性等实验。在虚拟的地理实验室里，可以做地震波传播、火山喷发等实验。在虚拟的生物实验里，可以做各种解剖实验。在虚拟的化学实验室里，可以利用各种化学药品和天平、砝码、温度计等工具，做各种不同的化学反应，观察燃烧、爆炸等反应现象。 4．技能训练。虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。利用虚拟现实技术，可以做各种各样的技能训练。例如军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。 目前，尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟现实技术尚未能普及。但是，随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术作为一个新型的远教媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到远教工作者的重视和青睐，最终在远教领域广泛应用并发挥其重要作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/31/2005)